JP2007116664A - Voltage and current supply with compensation for power supply variation - Google Patents
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Abstract
Description
政府の権利
米国政府は、国防脅威削減局によって与えられた契約番号DTRAO1−03−D−0018および送付番号DTRA01−03−D−0018−0001により本発明に一定の権利を取得している。
Government Rights The Government of the United States has obtained certain rights to the present invention under contract number DTRAO1-03-D-0018 and delivery number DTRA01-03-D-0018-0001 awarded by the Defense Threat Reduction Agency.
本発明は、一般に、電流および電圧源に関し、より詳細には、電源変動に関して安定した電圧制御発振器に関する。 The present invention relates generally to current and voltage sources, and more particularly to a voltage controlled oscillator that is stable with respect to power supply variations.
位相ロックループ(「PLL」)は、アナログ電気システムおよび通信システムで広く使用されてきた。ますます厳しくなっているタイミング制約の中で動作する現在の高性能システムでは、より一般的なデジタル電子回路にPLLが導入されつつある。例えば、様々な回路用途に使用される特定用途向け集積回路(「ASIC」)は、一般に、クロック信号分配用オンチップPLLを含む。 Phase locked loops (“PLLs”) have been widely used in analog electrical systems and communication systems. In today's high performance systems operating within increasingly stringent timing constraints, PLLs are being introduced into more common digital electronic circuits. For example, application specific integrated circuits (“ASICs”) used in various circuit applications typically include an on-chip PLL for clock signal distribution.
PLLがクロック分配にもたらす主要な利点は、位相/遅延補償、周波数逓倍、およびデューティサイクル補正である。PLLは、1つの周期信号またはクロックが基準クロックの周波数の倍数に位相整合されることができるようにする。PLLの出力は、その名前が示すように、受信基準クロック信号にロックし、基準クロックの平均周波数に等しい周波数を有する周期信号を発生する。出力PLL信号が基準信号を追跡する場合、PLLは「ロックされる」と言われる。 The main advantages that PLLs bring to clock distribution are phase / delay compensation, frequency multiplication, and duty cycle correction. The PLL allows one periodic signal or clock to be phase matched to a multiple of the reference clock frequency. The output of the PLL, as its name implies, locks to the received reference clock signal and generates a periodic signal having a frequency equal to the average frequency of the reference clock. If the output PLL signal tracks the reference signal, the PLL is said to be “locked”.
しかし、PLLは、限られた周波数範囲にわたってロックされたままであるだけか、あるいはホールドインレンジまたはロックレンジと呼ばれる周波数内でシフトする。PLLは、基準周波数が徐々に変化する場合は、一般に、ロックレンジにわたって基準信号を追跡する。この最大「ロック掃引速度」は、PLLがロックされたままである基準周波数の最大変化速度である。周波数変化がこの速度より速い場合は、PLLはロックから外れる。 However, the PLL only remains locked over a limited frequency range or shifts within a frequency called the hold-in range or lock range. The PLL generally tracks the reference signal over the lock range when the reference frequency changes gradually. This maximum “lock sweep rate” is the maximum rate of change of the reference frequency at which the PLL remains locked. If the frequency change is faster than this speed, the PLL is out of lock.
他の要因が、予期せずに突然発生することもあるロックの喪失を生じさせる可能性がある。例えば、電源電圧変動によって、PLLの出力周波数の偏差が生じる可能性がある。出力周波数の偏差によって、PLLがロックから外れることもある。PLLにロックから外れさせる可能性のある電源変動の一例は、電源上の増大した負荷である。増大した負荷は、電源を共用している増大した数の回路構成要素によって導入される可能性がある。 Other factors can cause loss of locks that can occur unexpectedly and suddenly. For example, a deviation in the output frequency of the PLL may occur due to power supply voltage fluctuation. The PLL may be out of lock due to deviations in the output frequency. One example of a power supply fluctuation that can cause the PLL to go out of lock is an increased load on the power supply. The increased load may be introduced by an increased number of circuit components sharing the power source.
電源変動はまた、出力周波数それ自体の変動など他の障害を生成する可能性もある。PLLは依然として「ロックされた」ままである可能性があるが、可変出力周波数がPLL出力を参照して回路内の不安定状態を引き起こす可能性がある。 Power supply fluctuations can also create other disturbances such as fluctuations in the output frequency itself. Although the PLL may still remain “locked”, the variable output frequency can refer to the PLL output and cause instability in the circuit.
電源変動の一因は、PLLの中の電圧制御発振器(VCO)によって受け取られる電圧である。VCOの機能はPLLの周期出力信号を発生することである。基準クロックがPLLによって追跡された場合、位相検出器は、他の構成要素と共に、基準クロックとPLLの出力の位相差を表す電圧(または電流)を発生する。基本的に、VCOは、発生された電圧(または電流)を受け取り、それを周期出力信号に変換する。例えば、高出力電圧は、高速周波数を有する出力信号に変換されてよい。一方、低入力電圧は、低周波数を有する出力信号に変換されてよい。 One source of power fluctuation is the voltage received by the voltage controlled oscillator (VCO) in the PLL. The function of the VCO is to generate a PLL periodic output signal. When the reference clock is tracked by the PLL, the phase detector, along with other components, generates a voltage (or current) that represents the phase difference between the reference clock and the output of the PLL. Basically, the VCO receives the generated voltage (or current) and converts it into a periodic output signal. For example, a high output voltage may be converted into an output signal having a high frequency. On the other hand, the low input voltage may be converted into an output signal having a low frequency.
しかし、電源が変動する場合、VCOは入力電圧を様々な周期信号に変換してよい。すなわち、周期信号は電源が変動するにつれて変動する。その結果、PLL出力の偏差に、あるいはPLL内のロックの喪失に起因する有害な回路エラーが発生する可能性がある。したがって、電圧制御発振器のための電源補償電圧および電流源の必要性がある。 However, if the power supply fluctuates, the VCO may convert the input voltage into various periodic signals. That is, the periodic signal varies as the power source varies. As a result, detrimental circuit errors can occur due to PLL output deviations or loss of locks within the PLL. Accordingly, there is a need for a power supply compensation voltage and current source for a voltage controlled oscillator.
電源補償電圧および電流源を供給する装置および方法が提供される。 An apparatus and method for providing a power supply compensation voltage and current source is provided.
一実施形態では、補償電圧および電流源は、入力としてバンドギャップ基準電圧およびスケールされた電源電圧を受け取る差動増幅器を備える。差動増幅器はまた、閾値基準回路によって駆動される電流源を含む。電源が変わった場合でも、差動増幅器によって安定した補償電流出力が維持される。次いで、補償電流は、VCOバイアス発生器などの外部回路に供給される。その場合、VCOバイアス発生器は、供給補償出力を生成するために波形発生器に信号を出力してよい。 In one embodiment, the compensation voltage and current source comprises a differential amplifier that receives a bandgap reference voltage and a scaled power supply voltage as inputs. The differential amplifier also includes a current source driven by a threshold reference circuit. Even when the power supply is changed, a stable compensation current output is maintained by the differential amplifier. The compensation current is then supplied to an external circuit such as a VCO bias generator. In that case, the VCO bias generator may output a signal to the waveform generator to generate a supply compensation output.
他の実施形態では、補償電圧は差動増幅器によって生成される。補償電圧はVCOバイアス発生器などの外部回路によって使用されてよい。 In other embodiments, the compensation voltage is generated by a differential amplifier. The compensation voltage may be used by an external circuit such as a VCO bias generator.
これらおよび他の態様ならびに利点は、それが適当な場合は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによって、当業者には明らかになるであろう。さらに、この要約は単に例であって、主張された本発明の範囲を限定することを意図するものではないことが理解される。 These and other aspects and advantages will become apparent to those of ordinary skill in the art by reading the following detailed description, with reference where appropriate to the accompanying drawings. Further, it is understood that this summary is merely an example and is not intended to limit the scope of the claimed invention.
ここで好ましい諸実施形態は、様々な図で同様の参照数字が同様の要素を指す添付の図面に関連して下記で説明される。 Preferred embodiments herein are described below with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like elements in the various figures.
電源補償電圧および電流源が提供される。補償電圧および電流源は、電圧または電流、あるいはその両方を、電圧制御発振器(VCO)などの外部回路に供給するために使用されてよい。安定したPLL出力は、補償電圧および電流源によって電圧または電流を供給されるVCOを使用して発生させることができる。電源変動補償の利点から利益を受ける他の回路もまた、本発明の実施形態から利益を受けることができる。 A power supply compensation voltage and current source are provided. The compensation voltage and current source may be used to supply voltage or current, or both, to an external circuit such as a voltage controlled oscillator (VCO). A stable PLL output can be generated using a compensation voltage and a VCO that is supplied with voltage or current by a current source. Other circuits that benefit from the benefits of power supply variation compensation can also benefit from embodiments of the present invention.
ここで図1に戻ると、基本的なPLL10は、位相周波数検出器12、チャージポンプ14、ループ(ローパス)フィルタ16、VCO18およびロック検出器30からなっていてよい。位相周波数検出器12は、基準クロック20および派生(またはフィードバック)クロック22を受け取る。位相周波数検出器12の出力は、チャージポンプ14に供給される。チャージポンプ14からの出力は、ローパスフィルタ16に供給される。ローパスフィルタ16は、VCO18に接続される。VCO18の出力は、周波数分割器28に供給される。周波数分割器28の出力は、位相周波数検出器12に戻され、通常のロック検出器30に供給される。ロック検出器30はまた、通常のロック検出器信号32を供給することができるようになるように基準クロック20を供給される。
Returning now to FIG. 1, the
動作中に、位相検出器12は2つの出力周波数を比較し、それらの位相差の大きさである出力を発生する。例えば、位相周波数検出器は、入力基準クロック信号20(REFCLK)をフィードバッククロック信号22(FBKCLK)と比較し、2つの信号20、22の位相/周波数差の大きさに比例するエラー信号24を発生する。図では、位相検出器12の出力信号24は、VCO18を駆動するループフィルタ16として働くカウンタ(示されていない)に一般に入力される、アップまたはダウンパルス24として示されている。他の実施形態では、位相検出器12は、標準デジタルフィルタに出力されてよいnビットの位相エラー24を出力してよい。
In operation, the
エラー信号24は、PLL回路上の位相検出器12のローディングを軽減するためにチャージポンプ14に供給される。チャージポンプ14電流は、ループフィルタ16に蓄えられる電荷の大きさを制御し、それによって、位相周波数検出器12からの出力をVCO18への制御電圧入力26に転換する。VCO18は、制御電圧26に比例する出力周波数を発生する。
The
PLL10がロックされている場合、REFCLK20信号とFBKCLK22信号の間には一定の位相差(通常ゼロ)があり、それらの周波数は一致している。2つの信号が等しい場合は、位相検出器12からのマグニチュード出力24はない。信号が異なる場合は、位相検出器12は対応する電圧信号24を出力する。動作中に、位相検出器12は、REFCLK20を(周波数分割器28を介して)発振器出力と比較し、REFCLK20を追跡する周期的フィードバッククロック出力FBKCLK22を発生する。発振器からのFBKCLK22がREFCLK20より周波数が遅れている場合、発振器18の速度が上がるように、位相検出器12はチャージポンプ14に制御電圧を変更させる。同様に、FBKCLK22がREFCLK20より先行している場合は、位相検出器12は、発振器18の速度を落とすように、チャージポンプ14に制御電圧を変更させる。ローパスフィルタ16がチャージポンプ14からの急な制御入力を滑らかにするので、システムは、位相検出器12がほとんど補正を行わない状態になる傾向がある。その結果、PLL出力34が安定し、様々な集積回路の用途に使用されることができるようになる。そのような用途の1つは、クロック発生回路でよい。
When the
しかし、PLL10が安定した出力34を生成できない状況は多い。ロック検出器30は、REFCLK20信号およびFBKCLK22信号を測定することによって、いつ安定した出力が出力されるか、あるいは出力されないかを示す。安定した出力がない場合、ロック検出器30は、満たされない「ロック」条件に対応する信号32を生成する。
However, there are many situations in which the
上記で議論されたように、満たされないロック条件を生じる可能性のあるそのような状況の1つは、VCO出力を発生するために使用される電流または電圧の変動である可能性がある。具体的には、増幅に使用される電圧および電流の小さな変化が、VCO出力での大きな変動を引き起こす可能性がある。残念ながら、電圧および電流の小さな変化は、電源電圧が変動するときに生じる可能性がある。その結果、基準電流または電圧のわずかな変動が、VCO18出力(および、順にPLL出力34)を、REFCLK20に比較して速すぎるかまたは遅すぎるようにする可能性がある。これは、PLLを「ロック」から外れた状態にする可能性がある。
As discussed above, one such situation that may result in an unfulfilled lock condition may be a variation in the current or voltage used to generate the VCO output. Specifically, small changes in the voltage and current used for amplification can cause large fluctuations in the VCO output. Unfortunately, small changes in voltage and current can occur when the power supply voltage fluctuates. As a result, slight variations in the reference current or voltage can cause the
たとえロック条件が満たされても、PLL出力周波数34の上昇または低下が有害な影響を引き起こす可能性がある。そのような影響の1つは、PLL10を利用したASIC内にあるクロック回路の周波数の上昇である。周波数の上昇によって、ASICの中にある他の回路が望ましくない速度でサイクルするようになる可能性がある。この望ましくないサイクル速度は、ASICの中にある回路構成要素間の同期エラーを引き起こす可能性がある。電源変動は断続的か予期しないものであり得るので、電源変動中に安定した電流および電圧をVCOに供給することが重要である。
Even if the lock condition is met, an increase or decrease in the PLL output frequency 34 can cause deleterious effects. One such effect is an increase in the frequency of the clock circuit in the ASIC that utilizes the
VCO電源の不安定性を防止するためのVCO36が図2に示されている。VCO36は、電圧/電流源38、VCOバイアス発生器40およびVCO波形発生器42を備える。VCO36への入力は差動電圧制御26a、26bである。この実施形態では、差動電圧制御26a、26bは差動信号である。ただし、この信号は、図1に示されているように、シングルエンドでよい(電圧制御26)。VCO36からの出力はPLL出力34である。
A VCO 36 for preventing instability of the VCO power supply is shown in FIG. VCO 36 includes a voltage /
VCO36の中で、VCOバイアス発生器40は、電圧/電流源38(V/C源)から出力される補償電流44(「ICOMP」)を供給される。V/C源38は、さらに図5に示されている。他の実施形態では、V/C源38は電圧信号を出力することができる。あるいは、他の実施形態では、V/C源38は電流と電圧両方の出力を出力することができる。出力信号のタイプに関係なく、V/C源38はバンドギャップ電圧VBG45を受け取り、電源はVpおよびVn、46、48を入力する。
Within the VCO 36, the
VCOバイアス発生器40は、ICOMP44および差動電圧制御26a、26bを受け取ると、基準電流50a〜d(「IREF」)を出力する。IREF50a〜dは、PLL出力34を出力するVCO波形発生器42に供給される。
When VCO bias
ここで図3aに戻ると、波形発生器42は遅延セル54a〜dおよびフルスイング−シングルエンド変換56(「F/S」)を備える。遅延セル54a〜dはそれぞれIREF50a〜dを受け取る。遅延セル54a〜dはまた、差動入力信号を受け取り、増幅された差動出力を出力する。遅延セル54dの差動出力は、遅延セル54aに戻され、また、F/S56にも入力される。F/S56は、フルスイング差動信号をシングルエンド、ロジックレベル、PLL出力34に変換する。PLL出力34にとってフルスイング信号が望ましい場合は、F/S56は省略されてもよい。さらに、より多くのあるいはより少ない遅延セルが他の実施形態で使用されてもよい。VCO36の周波数、安定性、および電力消費量は、使用される遅延セルの数によって変わる。遅延セルの追加または削減の影響は、図3bで詳細に議論される。
Returning now to FIG. 3a, the
個々の遅延セル54aを表す回路図が図3bに示されている。遅延セル54a〜dの性質および構造は全て遅延セル54aの回路図と同様である。IREF50aおよび差動入力VIN+およびVIN−、58a、58bは、遅延セル54aに入力される。遅延セル54aからの出力は、差動出力VOUT+およびVOUT−、60a、60bである。遅延セル54aの中で、IREF50aはPMOSトランジスタ62に供給される。PMOSトランジスタ62はそのゲートに、電圧分割器64、NMOSトランジスタ66、68の電源電圧、およびNMOSトランジスタ70のゲート電圧によって決定されるバイアスがかけられる。NMOSトランジスタ70は、差動増幅器72の中で電流源として使用される。この実施形態では、差動増幅器は、PMOSトランジスタ74a、74bおよび76a、76bからのアクティブ負荷を含む。また、PMOSトランジスタ78の出力は、アクティブ負荷PMOSトランジスタ74aおよび76aのゲートに接続される。
A circuit diagram representing an
動作中、IREF50aは、トランジスタ66、68および70のバイアスを決定する。IREF50aの電流値が高いほど、トランジスタ66、68および70上のゲート−ソースバイアスは高くなる。IREF50aの電流値を低減する場合は、逆相関が存在する。トランジスタ70のゲート−ソースバイアスが増大する場合、より多くの電流が差動増幅器72の末尾に供給される。
In operation,
差動電圧が差動増幅器に印加された場合、VIN+およびVIN−、58a、58bで印加された信号は、VOUT+およびVOUT−、60a、60bで増幅され反転される。これは、等式、
(VOUT+−VOUT−)=Av(VIN+−VIN−)
で表される。増幅の遷移時間、すなわち遅延時間(「τ」)は、差動増幅器72の末尾に印加される電流量に比例する。本質的に、差動増幅器72に供給される電流が多いほど、差動増幅器72の中でのラッチングの時間は長くなる。したがって、トランジスタ70を通る電流が増大した場合、遅延時間τは長くなる。また、トランジスタ70を通る電流が減少した場合は、差動増幅器が反転するのがより容易になり、遅延時間τは短くなる。トランジスタ70はIREF50aに直接影響されるので、IREF50aを変えることは遅延時間τの直接制御を提供する。
When a differential voltage is applied to the differential amplifier, the signals applied at V IN + and V IN− , 58a, 58b are amplified and inverted at V OUT + and V OUT− , 60a, 60b. This is an equation,
(V OUT + −V OUT− ) = Av (V IN + −V IN− )
It is represented by The amplification transition time, that is, the delay time (“τ”) is proportional to the amount of current applied to the end of the
遅延時間τはまた、トランジスタ78によって調整される。トランジスタ78は、抵抗器79と共に、トランジスタ74a、76aにバイアスをかけるために使用される。トランジスタ78、74aおよび76aの機能は、アクティブ負荷74a、74bおよび76a、76bの遅延時間を補償することである。基本的に、トランジスタ74aおよび76aは、「ハイ」から「ロー」へ、または「ロー」から「ハイ」への遷移が行われる前に早めにオンになる。これらのトランジスタによって供給された追加電流は、アクティブ負荷を遷移にもってゆく時間の量を低減することによって遅延時間τを短縮する。IREF50aはトランジスタ66を通る電流量を直接制御するので、IREF50aを変えることはまた、差動増幅器72のアクティブ負荷を調整することによって、遅延時間τに影響を与える。
The delay time τ is also adjusted by
図3aの上記の実施形態では、遅延セル54a〜dのフィードバックループは、最終的に定常状態の波形を生成する。最初に、差動入力内の小さな摂動は、その後、増幅の閾値に達するまで増幅される。遅延セル54a、54dの反転された差動出力は、各個別遅延セルでの遅延時間τによって遅延されるリーディングエッジを有する発振波形を生成する。リーディングエッジは、そのオリジナル電圧レベルに戻る前に2回遅延セル54a、54dを通ってサイクルする。したがって、VCO36の周波数全体は、次のように計算される。
In the above embodiment of FIG. 3a, the feedback loop of
f=1/(2Nτ)
上式で、Nは遅延セルの数である。上記で議論されたように、より少ない遅延セルが使用されてよく、より速い周波数出力が生成される。しかし、より少ない遅延セルを使用することのトレードオフは、安定性の低下である。雑音やその他の障害が、望ましくない周波数の偏差または位相ずれによって、この不安定性を引き起こす可能性がある。遅延セルの追加は回路の安定性を高めることができるが、電力消費量が増大し、周波数が低下する。これらのことは、回路設計者によって、所与のVCOの適当な許容差を選択する際に考慮される必要がある。4つの遅延セルが使用される上記実施形態の1つの利点は、各遅延セル間で90度位相ずれが行われることである。このタイプの位相ずれは、出力周波数の極を決定するのに好都合であり得る。
f = 1 / (2Nτ)
Where N is the number of delay cells. As discussed above, fewer delay cells may be used, producing a faster frequency output. However, the trade-off of using fewer delay cells is a decrease in stability. Noise and other disturbances can cause this instability due to undesirable frequency deviations or phase shifts. Adding delay cells can increase the stability of the circuit, but increases the power consumption and reduces the frequency. These need to be taken into account by the circuit designer in selecting an appropriate tolerance for a given VCO. One advantage of the above embodiment where four delay cells are used is that there is a 90 degree phase shift between each delay cell. This type of phase shift can be convenient to determine the poles of the output frequency.
明らかに、IREF50a〜dは、VCO36の出力周波数にかなり大きな影響を与える。上記で指摘されたように、電流内の無保証変動(例えば電源変動によって生じる変動)は、遅延時間τにかなり大きな影響を与える可能性があり、VCO36の出力周波数に直接影響を与える。
Obviously, the
IREF50a〜dがどのようにして発生されるか理解するために、VCOバイアス発生器40が図4に示されている。この回路では、ICOMP44および電圧制御26a、26bが入力される。IREF50a〜dが出力される。また、他の諸実施形態では、周波数選択f180a、f280bも入力される。
To understand how the
VCOバイアス発生器40の中には、差動増幅器82、電流ミラー84a〜d、NMOSトランジスタ86、ANDゲート88およびORゲート90がある。ICOMP44、電源補償電流は、差動増幅器82の中のトランジスタ92a、92bにバイアスをかけるために使用される。図3の差動増幅器72と同様に、トランジスタ92a、92bはテール電流源として機能する。差動電圧制御信号26a、26bは、PMOSトランジスタ94a、94bにバイアスをかける。利得は、周波数選択f180aでトランジスタ95を「オン」または「オフ」にすることによって増大されることができる。また差動増幅器82の中で、トランジスタ96は、電流ミラー84a〜dの中のPMOSトランジスタのゲートにミラーされているそのドレインから電圧を供給する。
Within VCO bias
電流ミラー84a〜dはまた、PMOSトランジスタ96から出力を受け取ると同時に、論理AND88および周波数選択80bの論理OR90と共に、周波数選択信号80a、80bの論理AND88を受け取る。論理AND88および論理OR90の出力は、電流ミラー84a〜dの中の別々のPMOSトランジスタ97a〜dおよび98a〜dを駆動するために使用される。IREF50a〜dは、PMOSトランジスタ97a〜dおよび98a〜dのドレインから出力される。
The
動作中に、VCO36が定常状態に達したとき(例えば、REFCLK20とFBKCLK22が一致したとき)、差動電圧制御信号26a、26bは比較的安定したままになる。VCO36が定常状態に達する前に、差動制御信号は、REFCLK20とFBKCLK22が一致するまで、出力電流IREF50a〜dを(上または下いずれかに)調整する。しかし、REFCLK20およびFBKCLK22の周波数内の正または負の偏差はまた、増大するあるいは減少する差動電圧に変わる。さらに、IREF50a〜dを増大あるいは減少させることは、出力周波数に反比例する遅延時間τを増大あるいは減少させる。IREF50a〜dを変えるために、差動増幅器82は、IREF50a〜dが出力する電流量を直接制御する。
During operation, when the VCO 36 reaches a steady state (eg, when REFCLK20 and FBKCLK22 match), the differential
電源変動は、特に増幅で、望ましくない出力を生じさせる可能性があるので、ICOMP44は、差動増幅器82の中の電流源を通る電流量を制御する。ICOMP44によって決定されるNMOSトランジスタ86のゲートからの電圧は、トランジスタ92a、92bのゲートに印加される。ICOMP44は、絶対温度に反比例する。すなわち、温度が上がると、ICOMP44は減少し、また、差動増幅器82内の電流源(すなわちトランジスタ92a、92b)を通る電流は増大する。もしICOMP44が絶対温度に反比例しないとすれば、差動増幅器82は、温度が上がるにつれて利得が増大するであろう。利得を増大させることは、PLL10の出力周波数を誤って増大させるであろう。ICOMP44の発生は、図5でさらに説明される。
差動増幅器82の利得に対して影響力のある他のものは、トランジスタ95である。f180aが高い(すなわち、周波数f1が選択された)場合、トランジスタ95はオフになる。本質的に、増幅器の利得は、トランジスタ92aのドレインからトランジスタ92bまでの抵抗が増大されたとき、減少される。差動増幅器82の利得を調整することができることは、バイアス発生器40の出力の感度に影響を与える。利得が低い場合、差動増幅器82の(トランジスタ96のドレインからの)出力電圧は、利得が高い場合ほど大きくは増大しない。バイアス発生器40は周波数選択可能なので、利得を調整することは、異なる周波数範囲の入力26a、26bの感度を変えるために有用である。異なる周波数範囲f180a、f280bを選択することは、下記で説明される。
Another that has an effect on the gain of the
電圧制御信号26a、26bから増大または減少する電圧信号を受け取ると、トランジスタ96のドレインの電圧は増大あるいは減少する。ドレイン電圧を増大させることは、電流ミラー84a〜dを通る電流を減少させ、逆の場合も同じである。他の様々な実施形態では、また上記で説明されたように、電流ミラー84a〜dは、周波数選択入力によって出力電流の量を選択するように調整可能であってよい。例えば、図4で、周波数選択80a、80bは、PMOSトランジスタ97a〜dのゲートに印加される前に論理処理を受ける。例えば、f180aが(論理「ハイ」によって)選択された場合、AND88の出力は「ロー」になり、PMOSトランジスタ97a〜dはオンになる。しかし、f280aが選択された場合は、AND88の出力は「ハイ」になり、OR90の出力は「ロー」になる。この場合は、PMOSトランジスタ98a〜dだけがオンになる。これらのPMOSトランジスタだけがオンになった場合、より低いIREF電流50a〜dが出力される。したがって、より低い遅延時間τが生じ、出力周波数がより高くなる。この実施形態では、両方の周波数選択f180a、f280bが選択された場合、バイアス発生器40は、トランジスタ97a〜dおよび98a〜dがオフになるので、オフになる可能性がある。
Upon receiving a voltage signal that increases or decreases from the
しかし、1つの周波数だけが出力されることが望まれる場合は、単一の周波数入力が使用されてもよく、周波数入力は全然使用されなくてもよい。他の諸実施形態では、AND88およびOR90は除去されてもよく、1組のトランジスタ(すなわち、97a〜dまたは98a〜d)だけが使用されてもよい。一定のバイアスがどちらかの組のトランジスタにかけられることもできる。トランジスタ95を介した利得調整もまた、様々な実施形態で除去されることができる。
However, if it is desired that only one frequency be output, a single frequency input may be used and no frequency input may be used. In other embodiments, AND 88 and OR 90 may be eliminated and only one set of transistors (ie, 97a-d or 98a-d) may be used. A constant bias can be applied to either set of transistors. Gain adjustment through
上記で説明されたように、より多くのあるいはより少ないIREF50a〜dが、VCO36の中の遅延セルの数に応じて使用されてよい。バイアス発生器40で、電流ミラー84a〜dは電流分割器の代わりに使用される。電流ミラーは、固有の抵抗に限定されない電流出力の決定可能な量、または、電流分割器から生じる可能性のある電流内の微妙な違いを生じさせる可能性のある処理に起因する変動を提供する。しかし、電流分割器から安定した電流出力が入手可能な場合は、別の実施形態では、IREF50a〜dを電流分割器から発生してもよい。
As explained above, more or less IREFs 50a-d may be used depending on the number of delay cells in the VCO 36. In
VCO36の全体的な電源変動の独立性は、ICOMP44に依存する。もしICOMP44が電源変動によって変わるとすれば、差動増幅器82を通る電流量は故意にではなく増大または減少するであろう。ICOMP44の故意にではない増大または減少は、VCO36で多くの問題を生じるであろう。1つの問題は、出力周波数の制御の欠如である。例えば、電源の不安定性を補正する手段または方法がないので、パワースパイクがICOMP44を増大する可能性がある。その場合、ICOMP44は、差動増幅器82の利得を増大させる。より高い利得はより低いIREF50a〜d電流に変わるであろう。IREF50a〜dが低下した場合、波形発生器42の遅延時間τが減少し、出力周波数が増大するであろう。もしICOMP44が電源変動から独立していないとすれば、多くの他のタイプの故意でない有害な作用が生じる可能性があるであろう。
The independence of the overall power supply variation of the VCO 36 depends on the
したがって、図5は、電源補償を備えたV/C SOURCE38の回路実施形態を示す。VBG入力44、電源電圧Vp46および共通の電圧Vn48がV/C SOURCE38に供給される。電源補償電流および電圧源IREF44およびVCOMP100が出力される。IREF44およびVCOMP100はまた、絶対温度に反比例する。VCOMP100は前述の諸実施形態では使用されていない。しかし、本発明の他の諸実施形態は、補償電流の代わりに補償電圧を使用してもよい。あるいは、他の諸実施形態は、IREF44とVCOMP100の両方を使用してもよい。さらに、VBG入力44は、通常のバンドギャップ基準電流からの出力でもよい。VBG入力100は、別法として、何か他のタイプの温度補償電圧でもよい。また、Vp46およびVn48は、PLL10の中の他の構成要素に供給される同じ電源であってもよい。Vp46およびVn48はまた、PLLの他の部分に供給される電源から独立していてもよい。
Accordingly, FIG. 5 shows a circuit embodiment of a V /
V/C SOURCE38は、電圧分割器102、電圧基準回路104、および差動増幅器106を備える。さらにこの実施形態に含まれる構成要素には、フィルタ108、電圧ミラー回路110、および電流ミラー回路112がある。
The V /
差動増幅器106は、PMOSトランジスタ114a、114b、NMOSトランジスタ116a、116b、抵抗器118、およびNMOSトランジスタ124a、124bを備える。アクティブ負荷PMOSトランジスタ114a、114bのソースは、電源46に接続される。トランジスタ114a、114bのドレインは、トランジスタ116a、116bのドレインに接続される。トランジスタ116aのゲートは、(フィルタ108によってフィルタされてよい)VBG入力44によってバイアスをかけられ、トランジスタ116bのゲートは電圧分割器122の中のノード120によってバイアスをかけられる。抵抗器118は、トランジスタ116a、116bのソースに接続する。また、トランジスタ124a、124bのソースも、トランジスタ116a、116bのソースに接続される。トランジスタ124a、124bは、電流源を形成する。他の諸実施形態では、電流源は異なる配置のトランジスタあるいは別のタイプの電流源を備えていてもよい。さらに、差動増幅器106およびV/C SOURCE38はまた、(MOSトランジスタの代わりにバイポーラ接合トランジスタなど)追加の回路要素を備えていてもよい。
The
上記で説明されたように、トランジスタ116aのゲートは、VBG44によってバイアスをかけられる。VBG44によってトランジスタ116aにバイアスをかけることによって、トランジスタ116bのゲートは、差動増幅器106の中の一定の電圧基準と比較されることができるようになる。一方、トランジスタ116bのゲートは、電圧分割器102の中のノード122によってバイアスをかけられる。電圧分割器102は、2つの直列に接続された抵抗器を備える。共通の電圧48への電源46(Vp〜Vn)は、直列に接続された抵抗器を通して分配される。電源46が変動すると、ノード122からトランジスタ116のゲートにかけられるバイアスも変わる。この変動は、電源変動の縮小版である。例えば、3Vの公称電圧がトランジスタ116のゲートにバイアスをかけるために使用され、電源46が5Vの電圧レベルを有する場合、2KΩと3KΩの値を有する2つの抵抗器が電圧分割器102の中で使用されてよい。この例では、もし電源が5.5Vにスパイクするとすれば、トランジスタ116のゲートにかけられたバイアスは3.3Vにジャンプするであろう。
As explained above, the gate of
トランジスタ116a、116bは両方とも、トランジスタ124a、124bに接続される。トランジスタ124a、124bのゲートは、電圧基準回路104によってバイアスをかけられる。電圧基準回路104は、トランジスタ126〜136および抵抗器138を備える。この実施形態では、基準回路104は、閾値基準電流源を使用してトランジスタ132で絶対温度に反比例する出力を生成する。他の実施形態は、電圧または電流出力を生成するために他の基準回路を備えていてもよい。
Both
電圧基準回路104では、入力電流はトランジスタ126および134を通って進む。トランジスタ128および132は、出力電流を生成する。トランジスタ132のゲートはトランジスタ134のドレインに接続されているので、トランジスタ128および132を通る出力電流は、トランジスタ126および134を通る入力電流に依存するより、閾値電圧に多く依存する。したがって、トランジスタ126および134を通る出力電流に対する電源変動の影響は、減衰される。トランジスタ132からの出力電流はミラーされ、電圧140が発生されてトランジスタ124a、124bにバイアスをかけるために使用される。電圧140は、絶対温度に反比例する。
In
温度が上昇すると、電圧140は低下し、トランジスタ124a、124bを通る電流は低下する。また、トランジスタ116bおよび116aを通る電流も低下する。また、ICOMP44およびVCOMP100も低下する。しかし、温度が低下すると、反対の影響が見られる。すなわち、ICOMP44およびVCOMP100は上昇する。絶対温度に反比例する量は、V/C源38の設計によって決定され得る。これは、電圧基準回路104、電圧ミラー回路110、電流ミラー回路112および/または差動増幅器106を含む、V/C源38の中の構成要素の設計を含んでよい。
As the temperature increases, the
再度差動増幅器106に戻ると、電源変動補償は、以下の例で確認されることができる。電源に変動が生じない場合、トランジスタ116a(ノード144)のドレインの電圧は一定のままである。VCOMP100を生成するために電圧ミラー回路110が使用されてよく、ICOMP44を生成するために電流ミラー回路112が使用されてよい。追加の電圧または電流基準が、電流および電圧ミラーを追加することによって生成されてもよい。
Returning to the
電源(すなわち、Vp〜Vn)が増大した場合、トランジスタ116bのゲートにかけられたバイアスは増大し、トランジスタ116bを通る電流も増大する。トランジスタ116aは基準電圧派生バイアスを有するので、トランジスタ116bを通る電流の増加は、トランジスタ116aを通る電流より大きい。基本的に、ノード122の電圧は、トランジスタ116aのゲート電圧(すなわち、VBG45を表すもの)と比較される。また、トランジスタ124a、124bを通る電流も、増加した電源と共に増加する。トランジスタ116bからの補償電流は、抵抗器108を通って進んで、トランジスタ124a、124bを通る電流の増加を補償する。補償電流は、トランジスタ116a内の電流の大きな増加を防止する。したがって、ノード44での電圧および電流の変化は減衰する。電源電圧が減少した場合、トランジスタ116bに印加されたゲート電圧は減少する。補償電流は抵抗器108を通って反対方向に進む。さらに、ノード144での電圧変化の影響全体は、抵抗器108を通って進む電流を補償することによって減少する。
As the power supply (ie, Vp to Vn) increases, the bias applied to the gate of
変動する電源電圧を有する出力電圧(または電流)に対する減衰効果が図6a〜bのグラフに見られる。図6aは、無補償差動増幅器に供給される変動する電源によって上昇する温度を有するICOMP44出力を示す。図6bは、電源補償差動増幅器106を使用する減衰効果を示す。図6a〜bでは、電源電圧(VS)は、1.4から1.95まで変わる。どちらの図でも、バイアス電流(ICOMP44)は、(図5に示されているような)電流ミラーを使用してノード44を参照する。図6aでは、バイアス電流(ICOMP44)は、変化する電源電圧によってかなり大きく変わる。しかし、図6bでは、変化する電源電圧によるバイアス電流(ICOMP44)の変化は、かなり低減されている。
The attenuation effect on the output voltage (or current) with varying power supply voltage can be seen in the graphs of FIGS. FIG. 6a shows an
上記の諸実施形態は、電源補償電流および電圧源を備えるVCOを有する位相ロックループを説明している。様々な実施形態で、この電流および電圧源は、安定した電流および/または電圧をVCOに供給するために使用されることができる。VCOに供給される安定した電流または電圧は、VCOが、通常のVCOに対する有害作用を有する可能性のある電源変動に、より敏感でない波形を出力することができるようにする。 The above embodiments describe a phase locked loop having a VCO with a power supply compensation current and a voltage source. In various embodiments, this current and voltage source can be used to provide a stable current and / or voltage to the VCO. The stable current or voltage supplied to the VCO allows the VCO to output a waveform that is less sensitive to power supply fluctuations that may have deleterious effects on the normal VCO.
様々な他の実施形態では、電源補償電流および電圧源は、安定したバイアスを必要とする他のタイプの回路によって使用されてよい。電源補償電流および電圧源は、VCOまたはPLLに使用されることだけに限定されるものではない。 In various other embodiments, the power supply compensation current and voltage source may be used by other types of circuits that require a stable bias. The power supply compensation current and voltage source are not limited to being used in a VCO or PLL.
例示された諸実施形態は、例としてだけであって、本発明の範囲を限定すると考えられるべきでないことを理解すべきである。特許請求の範囲の請求項は、その趣旨で述べられない限り、記載された順序または要素に限定されると解釈されるべきでない。したがって、添付の特許請求の範囲に記載の請求項の範囲および趣旨ならびにその同等物に含まれる全ての実施形態は、本発明として主張される。 It should be understood that the illustrated embodiments are merely examples and should not be considered as limiting the scope of the invention. The claims in the claims should not be construed as limited to the described order or elements unless stated to that effect. Therefore, all embodiments that come within the scope and spirit of the following claims and their equivalents are claimed as the present invention.
図3bは本発明の一実施形態による遅延セルの回路図である。
図6bは本発明の一実施形態による電源変動によるバイアス電流出力を示すグラフである。 FIG. 6b is a graph illustrating a bias current output according to a power supply variation according to an embodiment of the present invention.
10 PLL
12 位相周波数検出器、位相検出器
14 チャージポンプ
16 ループ(ローパス)フィルタ
18 電圧制御発振器(VCO)
26a、26b 差動電圧制御、差動電圧制御信号
28 周波数分割器
30 ロック検出器
36 VCO
38 電圧/電流源、V/C SOURCE
40 VCOバイアス発生器
42 VCO波形発生器
50a〜d 基準電流(IREF)
54a〜d 遅延セル
56 フルスイング−シングルエンド変換(F/S)
64 電圧分割器
72 差動増幅器
78 PMOSトランジスタ
82 差動増幅器
84a〜d 電流ミラー
102 電圧分割器
104 電圧基準回路
106 差動増幅器
108 フィルタ
110 電圧ミラー回路
112 電流ミラー回路
10 PLL
12 phase frequency detector,
26a, 26b Differential voltage control, differential
38 Voltage / Current Source, V / C SOURCE
40
54a-
64
Claims (10)
電圧基準電源と、
第1および第2の電圧入力および補償出力を有し、前記第1の入力が前記基準ノードに接続され、前記第2の入力が前記電圧基準電源に接続される差動増幅器と、
を備える、電源補償電圧および電流源。 A first resistor connected in series with a second resistor at a reference node, wherein a power supply voltage is distributed across the first and second resistors;
A voltage reference power supply;
A differential amplifier having first and second voltage inputs and a compensation output, wherein the first input is connected to the reference node and the second input is connected to the voltage reference power supply;
A power supply compensation voltage and current source.
前記第1の入力に接続されたゲートおよび第1のPMOSトランジスタのソースに接続されたドレインを有する第1のNMOSトランジスタと、
前記第2の入力に接続されたゲートおよび第2のPMOSトランジスタのソースに接続されたドレインを有する第2のNMOSトランジスタと、
第1および第2の入力を有し、前記第1の入力が前記第1のNMOSトランジスタのソースに接続され、前記第2の入力が前記NMOSトランジスタのソースに接続される電流源と、
第1および第2の端子を有し、前記第1の端子が前記NMOSトランジスタのソースに接続され、前記第2の端子が前記第2のNMOSトランジスタのソースに接続される第3の抵抗器と、
をさらに備える、請求項1に記載の装置。 The differential amplifier is
A first NMOS transistor having a gate connected to the first input and a drain connected to a source of the first PMOS transistor;
A second NMOS transistor having a gate connected to the second input and a drain connected to a source of a second PMOS transistor;
A current source having first and second inputs, the first input connected to the source of the first NMOS transistor, and the second input connected to the source of the NMOS transistor;
A third resistor having first and second terminals, wherein the first terminal is connected to the source of the NMOS transistor, and the second terminal is connected to the source of the second NMOS transistor; ,
The apparatus of claim 1, further comprising:
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